Journal of the Korean Chemical Society 1994, Vol. 38, No. 3
Printed in the Republic of Korea 단 신
Pyrr이e 유도체와 Dimethyl Acetylenedicarboxylate의 반응에서 초음파 효과
金聖男•籁秉熙*
충남대학교 자연과학대학 화학과 (1993. 11. 22 접수)
The Effect of Ultrasonic Waves on the Reaction of Pyrroles with Dimethyl Acetylenedicarboxylate
Sung Nam Kim and Byung Hee Han*
Departmetnt of Chemistry, Chungnam National University, Taejeon 305-764, Korea (Received November 22, 1993)
초음파를 이용한 새로운 유기반응법은 가열, 교 반반응과는 큰 차이가 있어 최근 10여년 동안 이에 관한 연구^卜 급격히 증가하고 있으며 특히 nitrone- unactivated alkenes", benzoquinone- vinylcyclohe xeneu, d-xylylene-enone1<,~/, o-quinone-diene*, 등과 같은 초음파적 [4 + 2] 고리부가반응에 관한 연구보고도 있다. 이와 같이 유기 초음파반응에 관한
연구가 활발한 이유는 초음파가 매질인 유기반응
용액을 투과할 때 cavitation에 의하여 순간적으로 발생하는 고온, 고압을 이용함으로 가열이 필요없이
부반응을 줄이고 반응시간을 단축시킬 수 있는 장
점이 있기 때문이다脹. 초음파를 투과시키는 방법 으로 초음파 세척기를 그대로 사용하였으나 최근 본 연구자는 초음파 발진자를 직접 반응용기에 강력 접착제로 부착시킨 이상적인 초음파 유기반응기구3 를 고안 제작 사용하고 있는데 종래의 초음파 세척 기나 Suslick의 probe형 반응기구의 단점，을 보완시 킨 것이 특징이다.
본 연구는 새로운 초음파 반응용기를 이용하여 pyrrole 및 그 유도체와 dimethyl acetylenedicarbo- xylate 와의 반응을 실시하여 예상되는 Michael 부 가반응과 [4 + 2] 고리화 부가반응인 Diels-Alder 반응 중 어느 반응이 일어나는가를 조사 연구하고 그 결과를 교반반응과 비교하여 보았다.
^-substituted pyrrole과 dimethyl acetylenedica
rboxylate(DMAD)과 촉매량의 A1CL을 벤젠 용매하 에서 초음파 반응을 시켰을 때 Michael 형태의 부 가반응만이 일어나고 Diels-Alder형의 반응생성물은 없었다.
초음파 반응의 경우 단지 수율이 교반반응에 비 하여 증가할 뿐이었고E/Z 비율도 큰차이가 없음을 관찰할 수 있었는데 그 결과를 정리하여 보면 Table 1과 같다.
Pyrrole 자체가 방향성을 가지고 있음에도 불구 하고 Michael 형태의 부가반응을 하는 것은 이미 보고된 논문5에서도 관찰된 바 있다. Pyrrole의 경우, 같은 반응을 AlCb을 가하지 않고 초음파 반응을 4 시간 동안 반응시킨 결과 단지 5%의 생성물만이 생성되었고 대부분 출발물질을 회수할 수 있었다.
특히 pyrrole 질소 위치의 치환기에 의한 입체적 장애에 따른 이성체 생성의 선택성을 초음파 반응 시에 나타나는가를 관찰하였는데 Table 1에서 보는 바와 같이 초음파가 치환기 효과에 거의 영향을 받지 않음을 알 수 있었다.
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Table 1. Reaction of pyrrole derivatives with dimethyl acethylenedicaroxylate(DMAD) under ultrasonic irra
diation (A)0 in comparison with stirring (B)
Pyrrole Condition' Products derivatives (reaction
time, hr) \J 丫。海 \J H
run X E Z
1 H A⑷ 20 5
B(10X 8 6
2 CH3 A(2) 41 40
晌 17 13
3 CH2CH2CN A(3) 21 38
B(10) 3 2
4 Ph A(4) 41 53
B(24) 36 37
fl110 volt and 1 ampere on the ultrasonic generator were used during sonication. ^Reaction condition: A; 0.01 mole of pyrrole derivatives, 0.01 mole of DMAD, 0.001 mole of A1C13 were added in 10 ml of dry benzene and the mixture was irradiated by Han's cup3 under nitrogen, B: Same reaction mixture was stirred under nitrogen.
「Dimethyl 2,3-bis(pyrrol-2-yl)butanedioate was also for
med in 6% yield. ^Dimethyl [2f3-bis(l-methyl)pyrrol-2- yllbutanedioate was also formed in 18% yield.
그러나 Pyrrole과 7V~Methylpyn*ole이 DMAD와의 교반반응(run 1~2)에서는 초음파 반웅에서는 생성 되지 않는 dimethyl 2t3-bis(pyrrol-2-yl)butane- dioate가6%(run 1), dimethyl[2,3-bis(l-methyl)py- rrol-2-yl]butanedioate7} 18%(run 2) 얻을 수 있 었으나 phenylpyrrole, cyanoethylpyrrole같은 치 환기를 갖는 유도체들에서는 이와 같은 dipyrrolyl 물질을 얻을 수 없었는데 이는 입체적 장애에 의한 영향으로 생각된다.
e=cooch3, x=h,ch3
이러한 이성채의 생성비율(run 1~4)은 pyrrole
유도체와 DMAD의 반응비율을 달리하여도 생성물
질이나 수율 또는 이성체의 비율이 거의 변화가 없 었다. Pyrrole(run 1)보다 입체적 장애 효과가 큰데도 불구하고 N-methylpyrrole(run 2)의 수율이 높은
것으로 보아 전자주게 효과가 관여하는 반응경로를 제안해 보면 다음과 같다.
따라서 N-methylpyrrole의 경우 양이온의 안정 화에 기여도가 입체적 장애보다 더 중요한 역할을 하는 것으로 예측되며 이러한 경향은 이와 관련된 연구 내용5과도 합치됨을 알 수 있다• 각 반응생성물 (run 1~4) 또한 DMAD와 Diels~Alder 형태의 고 리화반웅을 할 수 있으나& 이러한 반응은 이 조건 하에서는 진행되지 않았다. 각 반응에서의 두 이성 체는 silica gel column chromatography를 이용하여 분리할 수 있었으며 주로GC/MS, NMR로 생성물을 확인하였다.
GC에서의 두 peak를 질량분석기로 분석해 본 결 과 분자량과 fragment pattern이 동일함을 확인하 였고 NMR에서 E 화합물일 경우 double bond의 수소가 Z-화합물일 때보다 약 Ippm 정도 down- fi이d에서 단일선으로 나타나 이성체 구조를 확인할 수 있었다. 한편 montmorillonite(K 10)-Fe+3 촉매 하에서7 cyclohexadiene^j- maleic anhydride의 초 음파 반응에서는 한 시간만에 85%의 [4 + 2] 고리 부가반응물을 얻을 수 있었으며 endo/exo 비율이 88/11로 교반반응에서의 경우 65%의 고리부가반응 물에 이성체 비율이 80/20로서 큰 차이는 없었다.
Furan을 이용한 다양한 조건하에서의 초음파적 Diels-Alder 반응에 관한 연구가 현재 진행 중이며
초음파 조건하에서 이성체의 선택적 합성법을 개발
중이다.
실 험
Benzene은 단순 증류한 후 sodium 존재하에서 증류장치를 통하여 질소하에서 취하여 사용하였고 methylene chloride는 P2O5 존재하에서 증류하여 사용하였다. 연구에 사용한 시약은 Aldrich 제품을 정제없이 그대로 사용하였다.
GLC는 Varian 3300 Mod이로column은3% OV- 101(Chromosob W-HP, 80/100, 50 cm, 1/8 inch, 50
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cm) 혹은 10% Carbowax 20M(Chromosorb W-HP, 80/100, 2 mX 1/8 inch)을 사용하였다. Column ch
romatography^ silica~gel(Merck 7734, 70〜230 mesh ASTM)이고 전개 용매로는 hexane-ethylace- tate(7 : 3, v/v)를 사용하였다.
iH-NMR은 Bruker AC 80 Model로 CDCh를 용 매로 tetramethylsilane(TMS)를 기준물질로 사용하 였다. GC/MS Data는 Hewlett Packard(5890)로 di- methylpolysiloxane(0.2 mm, dia.X25 m) capillary column을 사용하였다. IR은 JASCO A-l model을 이용하여 KBr disk법으로 측정하였다.
초음파 반응에 사용한 Han's cup’은 28 kHz 진 동자 두 개를 강력 epoxy 수지 접착제를 이용하여 반응컵을 부착시켰다. 반응컵은pyrex 유리제품으로 4X4cm 크기 밑바닥을 진동자에 부착하기 전 sand paper 및 miller•을 이용하여 깎은 후 강력접착제로 부착하여 열처리하지 않고 5일 방치한 후 굳게 한 다음 반웅컵 목 부분에 충격을 흡수할 수 있는 고 무줄 또는 septa로 감아 초음파에 견딜 수 있게 하 였다.
초음파 반응시 온도는 냉각수를 흘려줌으로서 조 절하였고 intensity는 반응기에 연결된 generator■의 암페어와 이때 연결된 자동전압 조절기의 전압으로 부터 알 수 있다(110 volt X I ampere).
1-p-Cyanoethyl pyrrole의 합성
둥근바닥 플라스크에 무수THF 70 成를 넣고 py- rrole(6.7 g, 0.1 mole), acrylonitrile(5.3 g, 0.1 mole)과 KO2(7.1 g, 0.15 mole)를 넣은 후 5시간 동안 교반시 킨다. 반응이 끝난 후 silica gel short columri으로 KQ를 제거하였다. Vacuumn distillation으로 분리 하여 생성물(7.8g, 65%)을 얻었으며 NMR로 구조를 확인하였다.
NMR(CDCh)： 8 6.8(m, 2H), 6.3(m, 2H), 4.3(t, 2H), 2.7(t, 2H).
AlCh 존재하에서 pyrrole 유도체와 dimethyl ace- tylendicarboxylate(DMAD)와의 초음파 및 교반반 응. 잘 건조된 플라스크에 벤젠 10 m/, pyrrole 유 도체 0.01 mole, DMAD 0.01 m이e과 A1C13 0.001 mole을 넣고 3~24h 동안교반시켜 주거나, l~5h 정도 초음파를 조사하였다. 반응 후 차가운 얼음물 10 m2를 가하고 CH2CI2로 추출하였다. 추출액을
CaCL로 처리 여과한 후에 용매를 감압 증발시켜 제거하였다. 이렇게 하여 얻은 생성물을 silica gel (70~230mesh)을 충전시킨 column을 이용하여 분 리 하였는데 전개용매는 hexane : ethylacetate(7 : 3, v/v)을 사용하였으며 E-화합물과 Z-화합물와 순서 (TLC Rf E: 0.5, Z：0.4)로 분리 되며 GC/MS, NMR로 구조를 확인하였다.
한편 잘 건조된 플라스크에 무수EtOH 10 m/, py
rrole 유도체 0.01 m이e, DMAD 0.01 mole을 넣고 환류 또는 초음파 반응을 병행하여 실시한 후 시간 별로 GC로 반응경과를 확인하였고 이와 같은 방법 으로 분리하여 GC/MS, NMR과 IR로 구분를 확인 하였다.
Dimethyl (E)-pyrrol-2-yl-2-butenediote. IR (KBr) cm"1: 3260(N-H), 2890(C-H), 1730 and 1695 (C=O), 1600(C=C), IIOO(C-O);NMR(CDCk):
8 3.7(s, 3H), 3.9(s, 3H), 5.9(s, 1H), 6.3(m, 1H), 6.7 (m, 1H), 7.0(m, 1H), 12.7(broad s, 1H); GC-MS m/z(relative intensity) 209(M+, 100), 177(47), 150 (13), 118(36), 91(66), 77(8), 63(13), 44(8).
Dimethyl (Z)-pyrrol-2-yl-2-butenediote. IR (KBr) cm-1: 3300(N-H), 2985(C-H), 1735 and 1695 (C=O), 1600(C = C), 1170(C-O); iH-NMR(CDC13):
8 3.8(s, 3H), 4.0(s, 3H), 6.0(s, 1H), 6.2(m, 1H), 6.4 (m, 1H), 6.9(m, 1H), 10.0(broad s, 1H); GC-MS m/z 209(ML 100), 177(47), 150(47), 118(38), 91(77), 77(11), 64(13), 44(23).
Dimethyl-2,3*bis(pyrrole-2-yl)butanedioate. IR (KBr) cm"1: 3260(N-H), 2975(C-H), 1750(C = O), 1150(C-O)( 1130(C-N);NMR(CDCh)： 8 8.8(s, 2H), 6.8(m, 2H), 6.3〜6.0(m, 4H), 3.8(s, 3H), 3.7(s, 3H), 3.4(s, 2H); MS m/z 276(M+, 26), 217(100), 185(38), 157(9), 143(20), 94(28), 65(6), 44(33).
Dimethyl (E)-[l-(methyl)pyrolle-2-yl]-2-bute- nedioate. IR(KBr) cm-1: 2950(C-H), 1720 and 1690(C=O), 1590(C=C), 1300(C-N)t 1150(00);- NMR(CDC13): 8 7.0(s, 1H), 6.7(m, 1H), 6.2(m, 2H), 3.8(s, 3H), 3.7(s, 3H), 3.5(s, 3H); MS m/z 223(M+, 100), 192(12), 164(87), 134(14), 108(29), 105(53), 75 (26), 59(13), 42(15)
Dimethyl (Z)-[l-(methyl)pyrolle-2-yl]-2-bute-
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nedioate. IR(KBr) cm '1: 2950(C-H), 1720 and 1685(C=O)f 1600(0=0, 1300(C—N), 1150(00); 】H- NMR(CDCI3): 8 6.8(m, 1H), 6.4(m, 1H), 6.2(m, 1H), 6.0(s, 1H), 3.9(s, 3H), 3,8(s, 3H); MS m/z 223(M\
100), 192(12), 164(46), 134(6), 108(13), 105(26), 75 (13), 59(13), 42(32)
Dimethyl- [2,3-bis( 1 -methylpyrrol-2-yl)] butane
dioate. IR(KBr) cm"1: 2985(0H), 1725(C = O), 1550(C=C), 1300(C-N)f 1150(C-O); 나I-NMR (CDC13)： 6 6.5(m, 2H), 6.2〜6.0(m, 4H), 3.8(s, 3H), 3.7(s, 3H)t 3.5(s, 2H), 3.0(s, 6H); MS m/z 304(M+, 100), 273(15), 245(45), 213(15), 185(25), 171(14), 144 (13), 108(13), 77(13), 42(38).
Dimethyl (E)~[l-(p-cyanoethyl)pyrrol-2~yl]-2- butenedioate. IR(KBr) cm1: 2900(C-H), 2300(C 드 N), 1720 and 1700(C = 0), 1550(C=C), 1300(0 N), 1150(C-O); 】H-NMR(CDC13)： 8 7.2(s, 1H), 6.8 (m, 1H), 63〜6.1(m, 2H), 4.1(t, 2H), 3.8(s, 3H)； 3.6 (st 3H), 2.7(t, 2H); MS m/z 262(M*, 100), 203(74), 171(47), 151(22), 143(44), 119(24), 104(89), 78(28), 42(66)
Dimethyl (Z)-[l-(P-cyanoethyl)pyrrol-2-yl]-2- butenedioate. IR(KBr) cm= 2950(C-H), 2250(C
= N), 1715 and 1685(C=O), 1550(C = C), 1300(0 N), 1150(00); 】H-NMR(CDC13): 8 6.9(m, 1H), 6.5 (m, 1H), 6.3(m, 1H), 6.0(s, 1H), 4.3(t, 2H), 3.8(s, 3H), 3.7(s, 3H), 2.7(t, 2H); MS m/z 262", 100), 203(69), 171(48), 151(22), 143(45), 119(24), 104(52), 78(28), 42(66).
Dimethyl (E)- [ 1 -(phenyl)pyrrol- 2-yl] - 2-butene- dioate. IR(KBr) cm1: 2950(C-H), 1715 and 1690 (C = 0), 1625, 1585(C=C), 1300(C-N), HOO(C-O);
'H-NMRCCDCh): 8 7.4(m, 5H), 7.1(m, 1H), 6.9(s, 1H), 6.4〜6.5(m, 2H), 3,7(s, 3H), 3.5(s, 3H); MS m/z 285(ML 25), 254(6), 225(100), 194(51), 167(74), 139(14), 115(8), 77(17), 51(13).
Dimethyl (Z)-[l-(pheny])pyrrol-2-yl]-2-butene~
dioate. IR(KBr) cm-1: 2950(C~H), 1715 and 1695 (C = 0), 1625, 1585(C = C), 1300(C-N), IIOO(C-O);
】H-NMR(CDC13)： 5 7.4~7.5(m, 5H), 7.0(m, 1H), 6.6 (m, 1H), 6.4(m, 1H), 5.3(s, 1H), 3.8(s, 3H), 3.6(s,
3H); MS m/z 285(M+, 21), 254(8), 225(100), 194 (53), 194(53), 167(68), 139(13), 115(6), 77(14), 51 (11).
본 연구는 한국과학재단의 일반기초연구(과제번호 911-0302-028-1) 지원에 의하여 이루어 셨으며 이에
깊은 감사드린다.
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직접 투과시킬 수 있는 장점이 있으나 probe tip으
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